01
抽象的な
タングステンは、融点が高く、熱伝導率が高く、水素保持率が低いため、核融合炉のプラズマ向けコンポーネントに理想的な材料です。{0}}ただし、その固有の脆性と延性脆性転移温度 (DBTT) が高いため、レーザー加工中に亀裂が非常に発生しやすくなります。{2}}これは基本的に、非常に高い冷却速度と温度勾配が熱応力と粒界の弱体化を引き起こすためです。亀裂を抑制する既存の方法には、基板の予熱、ナノ粒子の合金化、パルスレーザーなどがありますが、これらの方法には粉末の劣化、組成の変化、気孔率の増加などの制限があります。近年、レーザー ビーム成形 (リング ビームなど) を使用してピーク出力密度を低減し、深溶け込み溶接を熱伝導溶接に変え、温度勾配と冷却速度を効果的に低減しています。レーザービームの発振は溶融池を撹拌し、入熱をさらに均一化し、等軸粒子の形成を促進します。どちらの方法も熱力学的制御に基づいており、補完的なメカニズムを備えています。この論文では、これらを組み合わせて、予熱や修正を行わずに純粋なタングステンを繰り返し亀裂のない溶接を実現することを提案しています。{9}ビーム形状と振動パラメータが亀裂、溶融池、微細構造に及ぼす影響が体系的に研究され、その後の積層造形の参考となります。
02
概要
この研究では、異なる振動パラメータ下での純粋なタングステン薄板のシングルパス溶接の亀裂挙動に対する、3 つのレーザー ビーム形状{0}{0}}ガウス ビーム、リング コア分布 (RC 80/20)、および環状ビーム-の影響を体系的に比較しました。-熱物理シミュレーション、光学顕微鏡解析、EBSD 特性評価を組み合わせて、巨視的な亀裂統計や溶融池の形状から微視的な粒子構造に至るまで、マルチスケールの解析が実施されました。{6}}実験結果によると、ガウス ビームはピーク出力が高すぎるため、深くて狭い溶融池 (深さ-対-幅の比 > 1) を容易に形成し、重大な亀裂を引き起こし、亀裂のない率はわずか 36% であることが示されています。-。対照的に、環状ビームと RC 80/20 ビームは、ピーク出力密度を低減することにより、溶融池を広く浅くし、温度勾配と冷却速度を大幅に低減します。 RC 80/20 ビームだけで 80% のクラックフリー率を達成できます。-この基盤に基づいて、レーザー ビーム発振を追加すると、すべてのビーム タイプでクラックがさらに抑制され、アスペクト比は一般に 1 未満に低下しました。RC 80/20 と発振の組み合わせが最も優れたパフォーマンスを発揮し、55 のパラメータ セット全体で 91% のクラックフリー率を達成しました。-さらに、溶融池内でより大きな等軸結晶が形成され、シミュレーションされた冷却速度の最大 45% 低下とほぼ一致しました。最終的な統計分析により、ビーム形状、レーザー出力、走査速度が亀裂の発生に影響を与える最も重要なパラメーターである一方、発振周波数と振幅はこの研究の範囲内では重大な影響を及ぼさないことが明らかになりました。これは、ビーム整形と振動を組み合わせた戦略により、予熱や材料の変更を行わずにタングステンの繰り返し亀裂のない溶接を達成できることを示しています。{32}}
03
グラフィック分析
図 1 の左上隅のデータは、同じスポット直径 (202 μm) とプロセス条件の下で、RC 80/20 ビームの温度勾配 G がガウス ビームの温度勾配 G よりも大幅に低く、成長速度 R がわずかに高いことを示しています。重要なのは、右上隅の冷却速度の計算結果にあります。-RC 80/20 ビームの冷却速度は、同じスポット直径のガウス ビームと比較して約 40% 減少し、環状ビームではさらに約 45% 減少します。以下のシミュレーションされた溶融池断面-もこれを視覚的に反映しています。成形ビームの溶融池はより広く、より浅くなっています。このデータは、ビーム整形が熱応力-によって引き起こされる亀裂を効果的に軽減できる理由を直接説明しており、熱力学的観点からその後の実験を強力にサポートします。
図 2 はガウス ビームに対応します。振動がなければ、縦方向の亀裂が溶接部全体を貫通します。しかし、振動を加えると、同様の線エネルギー密度であっても、亀裂は完全に消失します。図 3 は RC 80/20 ビームに対応します。発振がなければ、線エネルギー密度が高くても亀裂は依然として存在します。振動を加えることでクラックは完全に消滅します。これは、梁の形状に関係なく、振動によりクラックを効果的に抑制できることを十分に示しています。そのメカニズムは、ビームの振動によって溶融池が撹拌され、入熱がより均一になるというものです。もともと狭くて深い溶融池は大幅に広がり、深さ-対-の幅の比は1を下回ります。溶接モードが深溶け込み溶接から熱伝導溶接に変更され、それによって熱応力が解放されます。
図 4 は、微細構造レベルでの加工戦略の効果を定量化しています。左側は、ガウス ビーム (93 μm) の平均粒径がわずか 10.2 μm であることを示しています。 RC 80/20 を単独で使用すると (202 μm)、14.3 μm に増加します。 RC 80/20 と振動を組み合わせると、結晶粒はさらに粗くなり、冷却速度が 45% 低下するというシミュレーション結果と完全に一致します。右側のアスペクト比データは、成形と振動の組み合わせの粒子が等軸に近い (比率が 1 に近い) のに対し、ガウス ビームの粒子は明らかに柱状である (比率が大きい) ことを示しています。等軸粒子の割合が高く、数が多いということは、材料の機械的特性がより等方性であり、亀裂伝播に対する抵抗力がより強いことを意味し、亀裂が微細構造レベルで効果的に抑制される理由を説明します。
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まとめ
この研究では、レーザー ビーム整形と発振を組み合わせた戦略により、予熱や材料の変更を行わずに純粋なタングステンの亀裂のない溶接を再現可能に達成できることが確認されました。{0}テストされたパラメータの中で、振動と組み合わせた RC 80/20 リングコア ビームが最良の結果をもたらし、ガウス ビームの 36% を大幅に上回る 91% のクラックフリー率を達成しました。{4}この組み合わせは、ピーク電力密度を低下させて溶融池を撹拌することにより、亀裂を効果的に抑制し、溶接モードを熱伝導溶接に変換し、冷却速度を最大 45% 低減し、より大きな等軸結晶の形成を促進します。-ビーム形状、レーザー出力、走査速度が主要な影響パラメーターですが、発振周波数と振幅はほとんど影響しません。今後の研究では、多層、多パス積層、および実際の PBF-LB/M 製造におけるこの戦略の適用性をさらに検証する必要があります。
